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操作系统的运行环境

1、核心态与用户态

为了避免操作系统及其关键数据如pcb的受到用户程序有意或无意的破坏。通常将处理器分为两种：

• 核心态：又称管态、系统态，是操作系统管理程序执行时机器所处的状态，它具有较高的特权，能执行包括特权指令的一切指令，能访问所有寄存器和存储区。
• 用户态。有乘务台。是用户程序执行时机器所处的状态，是具有较低特权的执行状态，它只能执行规定的指令，只能访问指定的寄存器和存储区。

特权指令：只能由操作系统内核使用，不允许用户直接使用的命令。如： I/O 指令、设置中断屏蔽指令、清内存指令、存储保护指令和设置时钟指令。

系统内核：由一些与硬件关系较为紧密的模块（如时钟管理，中断处理，设备驱动等）以及运行频率较高的程序（如进程管理，存储器管理，设备管理等）构成了系统的基本内核。

内核的指令主要运行在核心态，主要有四类：

1. 时钟管理

   时钟是计算机的各个部件中最关键的设备。不仅可以向用户提供标准的系统时间，另外通过时钟中断的管理，可以实现进程的切换，如时间片轮转调度。

2. 中断机制

   中断机制中只有一小部分属于内核，负责保护和恢复中断现场信息，转移控制权到相关的处理程序。

3. 原语

   主要是一些关闭中断的公用小程序，主要有以下特点：

   • 处于操作系统最底层，是最接近硬件的部分。
   • 程序运行具有原子性，操作只能一气呵成。
   • 程序运行时间较短，调用频繁。

4. 系统控制的数据结构及处理

   操作系统中需要一些用来登记状态信息的数据结构。如作业控制块，进程控制块，设备控制块，各类链表，消息队列，缓冲器，空闲登记区，内存分配表等。

2、中断与异常

中断，也称外中断，是系统正常功能的一部分。例如，因进程调度使系统停止当前运行的进程，或者因缺少所需资源而中断当前进程。

异常，也称为类中断。是由错误引起的，如文件损坏，进程越界的。

异常通常会引起中断，而中断未必是由异常引起的。

3、系统调用

系统调用会把应用程序的请求传给内核，通过陷入(trap)指令将用户态转变为内核态， 然后相应的内核函数会完成所需的处理，并将处理结果返回给应用程序。